几种无功补偿方案的对比分析
荣信电力电子股份有限公司
二、补偿方案选择
1. 固定并联电容补偿
①固定无功补偿方案是补偿无功功率的常规方法。装置具有结构简单、经济方便等优点，其补偿无功的容量是设计根据计算的平均负荷大小而确定的，是一个不可调的固定量，通常由电抗器和电容器串联组成，其功能主要是补偿负荷产生的感性无功，并对三次谐波有一定的抑制作用。一般采用机械开关控制电容器的投切，投切时的冲击电流和操作过电压大，易发生谐振，因此不能频繁投切。
由于固定补偿装置的补偿容量不能随负荷而变化，“欠补”和“过补”交替发生，计费方式又为“反转正计”，使得变电所平均功率因数达不到0.9的要求，造成力率罚款，并使供电设备的能力不能充分发挥。
目前我国普遍采用的方案是在变电所设置固定电容并联补偿。该方案主要问题是在无负荷和轻负荷的区段，过补偿十分突出，投入固定并联补偿电容后，功率因数比不投时还低，无法达到经济功率因数的要求，变电所因功率因数大幅下降，而遭受巨额罚款，固定电容器补偿还会导致空载时电压抬升，反而恶化电压质量。
②从以上分析结论可知，变电所采用固定补偿方案解决不了功率因数问题，不能随负荷的无功波动随机的调节补偿的容性无功，所以不具备抑制谐波和电压波动。要解决功率因数问题，抑制谐波和电压波动，必须放弃固定补偿方案，寻求新的补偿方案。
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2 自动投切并联电容器组
并联电容器组是最早就出现的静止型无功补偿方式，因其结构简单等特点而得到了广泛的应用，一般的并联电容器组都是应用在负荷较为平稳的场合，由手工进行投切，每天的投切次数不超过10次。
自动投切并联电容器组则根据系统所需无功自动进行投切操作，其投切次数可达每天数十次，甚至数百次。
其工作特点如下： 响应速度
刚切除后的电容器组，需待放电完全后才能再次投入，至少需要数十秒以上。
损耗
只有并补电容器和串联电抗器产生损耗，因此损耗非常小。约在0.1%左右。
谐波电流
不产生也不滤除谐波电流。 三相不平衡
并联补偿电容器组是三相完全平衡的，因此不能改善不平衡度。 调节特性
只能投入或者切除并联电容器组，无功变化较大，无法平滑线性调节无功输出。
3.晶闸管分级投切电容器方案（TSC）
晶闸管分级投切电容器方案这里研究两个，一是带降压变压器的晶闸管
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投切电容器方案，二是带降压变压器及分接开关的晶闸管投切电容器方案。
1）、带降压变压器的晶闸管投切电容器方案
TSC分组可调补偿是根据负荷实际运行无功量，按照一定的投切策略跟踪负荷变化进行投切动作。该方案由若干组并联的晶闸管阀组控制，以实现快速无触点的投切。显然这种型式的补偿装置只能实现容性无功功率的阶跃调节，其调节的精度取决于电容器的分组数。为了提高运行的可靠性，防止电容器和晶闸管损伤，TSC均实现无过渡过程的操作。 ①TSC技术关键
无过渡过程投切电容器，理论上电容器在峰值时导通，在峰值时关断。晶闸管关断后，电容器保持峰值电压值，由于电源电压随时变化，电容器电压也在缓慢地放电，要做到安全、无过渡投切比较困难。具体控制有二种方法：
其一： 在需要投入电容器时，必须检测电容器的两端电压及电网电压。在电网电压与电容器两端电压相等瞬时，发出触发脉冲；当电容器接成星形时，这时必须有二个晶闸管导通才能构成通路。这种控制方式的难度很大，且电容器两端电压为直流，在高压环境下，检测困难，经常产生过渡过程过电压。严重的过度过程产生的振荡过电压，将达到电源峰值电压的两倍以上，如在低压侧整流变副边进行补偿，过渡过程过电压必然影响调速系统的安全运行。
其二： 晶闸管关断后，电容器两端电压从峰值电压，缓慢放电。等电容器两端电压放到小于50V时投入电容器，这时是比较安全的，但根据<<高压并联电容器放电线圈标准JB/T80-1999>>规定放电时间为5s，电容器投入时必须考虑其放电情况，这样由于受电容器的放电时间的，在工程应用
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中实际的响应时间一般在3-5分钟左右。对于无功快速变动的系统是不适用的。 其三：TSC投切的电容器组分组越多，补偿效果越好，成本相对提高。且在频繁投切电容器时，由于阻抗曲线发生频繁变化，很有可能产生谐振，造成灾害性事故。（如去年湖南涟钢棒线厂轧钢系统中采用的TSC装置，由于产生谐振将TSC装置及传动系统全部烧毁，直接经济损失近3000万元，间接损失近2亿元。）
该方案的特点： 不产生谐波；
理论上可以实现过零投切，不会产生像真空开关那样产生严重的过电压； 结构简单。
2）、带降压变压器及分接开关的晶闸管投切电容器方案
该方案通过降压调压变压器，采用分接开关无载调压和晶闸管开关的有载分合直接调节无功元件（滤波器）的无功输出。
该方案的特点与带降压变压器的晶闸管投切电容器方案相似，但投资更少，只需一组晶闸管开关，但其过分依赖变压器分接开关，分接开关每天频繁调节，其寿命能否有保证还需进一步研究，另外目前国内尚无此类方案运行，需要研究开发。
4. SVG+FC型动态无功补偿系统
4.1 供电系统结构
一般电力系统用户负荷吸收有功功率PL和无功功率QL。
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Ps+QsPL+QL负荷
图3.1 简单的负荷连接
电源提供有功功率PS和无功功率QS（可能为感性无功，也可能是容性无功），忽略变压器和线路损耗，则有PSPL，QSQL。没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题：
1）电网从远端传送无功；
2）负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质量； 3）负荷的不平衡与谐波也会影响电网的电能质量；
因此，电力系统一般都要求对用电负荷进行必要的无功、不平衡与谐波补偿，以提高电力系统的带载能力，净化电网，改善电网电能质量。
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4.2 SVG用于补偿无功
P S＋QSP L＋QL负载SVG
图3.2 带有SVG无功补偿装置的系统
假设负荷消耗感性无功（一般工业用户都是如此）QL，此时控制SVG使其产生容性无功功率，并取QSVG=QL，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QSVG-QL=0。
如果对电网等比较复杂的补偿对象而言，当需要向电网提供感性无功时，可以通过对SVG的控制，使其产生感性无功功率，并取QSVG=QC，这样在负荷波动过程中，仍然可以保证：QS=QSVG-QC=0。
此外，SVG在补偿系统无功功率达同时，几乎不产生谐波。更重要的是，SVG还可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实现有源滤波（APF）的功能。
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4.3 SVG用于有源滤波
系统-IhAPFIh谐波源
图3.3 基本原理图
有源滤波器的基本思想如图3.3。谐波源一般为非线性负荷，如整流器、带有整流环节的变频器及大量带有开关器件的设备等，产生谐波电流Ih；供电系统一般为被保护对象，也即要达到最终流入或流出系统的电流是谐波含量极少的正弦波，有时还有功率因数要求；有源滤波装置表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流有相同幅值而相位相反的补偿电流Ih，来达到消除谐波的目的。与无源滤波装置相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。 4.4 SVG的基本原理
所谓SVG（Static Var Generator），就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。
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V1UdV2VD1RLV3VD3VD2u0V4VD4信号波Ut调制Uc电路载波图3.4 SVG与系统的连接示意图
设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量US和UI表示，则连接电抗X上的电压UL即为US和UI的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流I。如果未计及连接电抗器和变流器的损耗，SVG的工作原理可以用图3.5a)所示的单相等效电路图来说明。在这种情况下，只需使UI与US同相，仅改变UI幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90，并且能控制该电流的大小。
a）单相等效电路 b）相量图
图3.5 SVG等效电路及工作原理（未计及损耗）
SVG详细的工作模式及其补偿特性如表1所示。
表3.1 SVG的运行模式及其补偿特性说明
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运行模式波形说明UIUSUS 空载UI如果UI＝US，SVG不起任何补偿作用。(a)UI=USUSUIIL感性 IL USUIUL如果UIUS采用直接电流控制的有源滤波型中压SVG的工作原理如图3.6所示。从图中可以得出式(1)，即电源电流IS是负载电流IL和补偿电流IC之相量和。假设负载电流IL中含有基波正序电流（包括基波正序无功电流ILfq和基波正序有功电流ILfp）、基波负序电流ILf-和谐波电流ILh，如式(2)所示。图3.6 采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理
ISILIC
(1) (2)
ILILfp+ILfq+ILf-ILh
为使电源电流IS中不含有基波正序无功和基波负序电流，则需要控制
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US UL如果UI>US，SVG输出的无功电流超前电网电压，SVG发出容性无功，且其无功可连续调节。
SVG输出电流IC满足式(3)。这样电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电流，如式(4)所示。
IC(ILfq+ILf-) ISILfp+ILh
(3) (4)
所以，要想达到补偿目的，关键是控制SVG输出电流IC满足式(3)。 从SVG工作原理的描述可以看出，如果要使SVG在补偿无功的基础上还对负载谐波进行抑制，只需要使SVG输出相应的谐波电流即可。因此，从这个意义上说，SVG能够同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。 4.5 SVG的优势
通过上一节对SVG原理的描述可以知道，SVG可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）。因此，从本质上讲，SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。
SVG是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：
(1) 响应时间更快
SVG响应时间：≤1ms。
传统静补装置响应时间： ≥10ms。
SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率
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的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。
(2) 抑制电压闪变能力更强
SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：1，甚至更高。SVC受到响应速度的，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。
(3) 运行范围更宽
SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。也就是说，当SVC需要在正负全范围运行时，需要TCR和FC配合使用，整个装置损耗较大，占地面积也较大。
更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。这是SVC技术本质的缺点。
(4) 补偿功能多样化
使同一套SVG装置，可以实现不同的多种补偿功能：
单独补偿负载无功 单独补偿负载谐波 单独补偿负载不平衡
同时补偿负载无功、谐波和不平衡 所以，SVG具有强大的补偿功能。
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(5) 谐波含量极低
荣信SVG采用了PWM技术、多电平技术和多重化技术，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。
而TCR和TSC自身均要产生很大的谐波电流，所以还需要安装相应的FC滤波装置，增加了额外的成本。
(6) 占地面积较小
由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。所以，在一些厂矿改造中SVG具有很大的优势。
补偿系统，略小于TCR+FC动态无功补偿系统。 设备损耗
该设备本身的拓扑结构和高压变频的结构相似，因此损耗也基本差不多。电压源型逆变器的损耗一般很小，SVG由多个逆变器串联、或者并联组成，逆变器部分总的损耗一般不超过总容量的0.5%。由于SVG容量只是MCR、TCR的一半， FC的损耗只有MCR、TCR的一半。
对于缅甸达贡山项目由于上级35kV母线上已上了TCR型SVC，其滤波器会形成非特征谐波的高阻抗点，经变压器阻抗和线路阻抗会在220kV侧形成谐波电压源，因此对加在同一220kV的下级加电容器补偿必须进行阻抗校核，避免产生串联谐振，同时要避免投切以减少系统振荡的可能性。而SVG不是靠容性阻抗来补偿的，所以不能产生谐振。
三、补偿方案对比
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表1 各种补偿的比较
电容补偿 类 型 无功功率控制 灵活性 谐波性能 三相平衡能力 电压波动 闪变改善状况 设备的损耗 设备占地 分级 差 几乎无 无 无 无 很小 小 自动投切并联补偿 分级 差 几乎无 无 无 无 很小 器的较小 小 小 器的大 一般 小 晶闸管投切电容器SVG+并补 TSC 分级 差 几乎无 无 无 无 不带变压带变压较小 连续 非常好 好 好 非常好 很好
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